Magnesiumdimeer (Mg ₂ ) is een fragiel molecuul dat bestaat uit twee zwak op elkaar inwerkende atomen die bij elkaar worden gehouden door de wetten van de kwantummechanica. Het is onlangs naar voren gekomen als een potentiële sonde voor het begrijpen van fundamentele verschijnselen op het snijvlak van chemie en ultrakoude fysica, maar het gebruik ervan is gedwarsboomd door een raadsel van een halve eeuw oud:vijf hooggelegen trillingstoestanden die de sleutel vormen tot het begrijpen hoe de magnesiumatomen op elkaar inwerken, maar die al 50 jaar aan detectie zijn ontgaan.

De laagste veertien Mg ₂ trillingstoestanden werden ontdekt in de jaren 70, maar zowel vroege als recente experimenten zouden in totaal negentien staten moeten hebben waargenomen. Als een kwantumkoude zaak, experimentele pogingen om de laatste vijf te vinden mislukten, en Mg ₂ werd bijna vergeten. Tot nu.

Pjotr ​​Piecuch, Michigan State University Distinguished Professor en MSU Foundation Professor in de chemie, samen met College of Natural Science Department of Chemistry afgestudeerde studenten Stephen H. Yuwono en Ilias Magoulas, nieuw ontwikkeld, computationeel afgeleid bewijs dat niet alleen een kwantumsprong maakte in de kwantumchemie van de eerste beginselen, maar loste uiteindelijk de 50-jarige Mg . op ₂ mysterie.

Hun bevindingen zijn onlangs gepubliceerd in het tijdschrift wetenschappelijke vooruitgang .

"Ons grondig onderzoek van het magnesiumdimeer bevestigt ondubbelzinnig het bestaan ​​van 19 trillingsniveaus, " zei Piecuch, wiens onderzoeksgroep al meer dan 20 jaar actief is in de kwantumchemie en fysica. "Door de aard- en aangeslagen toestand potentiële energiecurven nauwkeurig te berekenen, de overgangsdipoolmomentfunctie tussen hen en de rovibratietoestanden, we hebben niet alleen de nieuwste laser-geïnduceerde fluorescentie (LIF) spectra gereproduceerd, maar we hebben ook richtlijnen gegeven voor de toekomstige experimentele detectie van de voorheen onopgeloste niveaus."

Dus waarom waren Piecuch en zijn team in staat om te slagen waar anderen al zoveel jaren hadden gefaald?

De volharding van Yuwono en Magoulas heeft zeker de interesse in de Mg . doen herleven ₂ geval, maar het antwoord ligt in de briljante demonstratie van het team van de voorspellende kracht van moderne elektronische structuurmethodologieën, die te hulp kwamen toen experimenten onoverkomelijke moeilijkheden ondervonden.

"De aanwezigheid van botsingslijnen afkomstig van het ene molecuul dat het andere raakt en het achtergrondgeluid vertroebelde de experimenteel waargenomen LIF-spectra, " legde Piecuch uit. "Om het nog erger te maken, de ongrijpbare hooggelegen trillingstoestanden van Mg ₂ dat decennia lang verbijsterde wetenschappers in de lucht verdwijnen wanneer het molecuul begint te draaien."

In plaats van dure experimenten uit te voeren, Piecuch en zijn team ontwikkelden efficiënte rekenstrategieën die die experimenten simuleerden, en ze deden het beter dan wie dan ook.

Zoals de gekwantiseerde trillingstoestanden van Mg ₂ , tussenliggende benaderingen waren niet acceptabel. Ze losten de elektronische en nucleaire Schrödingervergelijkingen op, principes van de kwantumfysica die moleculaire bewegingen beschrijven, met bijna volledige nauwkeurigheid.

"De meeste berekeningen in ons vakgebied vereisen niet de hoge nauwkeurigheidsniveaus die we in onze studie moesten bereiken en nemen vaak hun toevlucht tot goedkopere rekenmodellen, maar we hebben overtuigend bewijs geleverd dat dit hier niet zou werken, " zei Piecuch. "We moesten elk denkbaar fysiek effect in overweging nemen en de gevolgen begrijpen van het negeren van zelfs de kleinste details bij het oplossen van de kwantummechanische vergelijkingen."

Hun berekeningen reproduceerden de experimenteel afgeleide vibratie- en rotatiebewegingen van Mg ₂ en de waargenomen LIF-spectra met opmerkelijke precisie - in de orde van 1 cm ^-1 , Om precies te zijn. Dit gaf de onderzoekers het vertrouwen dat hun voorspellingen met betrekking tot het magnesiumdimeer, inclusief het bestaan ​​van de ongrijpbare hooggelegen trillingstoestanden, waren vast.

Yuwono en Magoulas waren duidelijk enthousiast over het baanbrekende project, maar benadrukte dat ze aanvankelijk twijfelden of het team succesvol zou zijn.

"In het begin, we wisten niet eens zeker of we dit onderzoek konden doen, vooral gezien het aantal elektronen in het magnesiumdimeer en de extreme nauwkeurigheid die vereist is door onze ultramoderne berekeningen, " zei Magoulas, die meer dan vier jaar in de onderzoeksgroep van Piecuch heeft gewerkt en cursussen kwantumchemie op het hoogste niveau geeft aan de MSU.

"De computationele middelen die we voor het project moesten gebruiken en de hoeveelheid gegevens die we moesten verwerken, waren enorm - veel groter dan al mijn eerdere berekeningen samen, " voegde Yuwono toe, die ook cursussen fysische chemie geeft aan MSU en sinds 2017 werkt in de onderzoeksgroep van Piecuch.

Het geval van de hooggelegen trillingstoestanden van Mg ₂ dat wetenschappers een halve eeuw lang hebben ontweken, is eindelijk gesloten, maar de details van de berekeningen die het hebben gekraakt, zijn volledig open en toegankelijk op de Science Advances-website. Yuwono, Magoulas, en Piecuch hopen dat hun berekeningen nieuwe experimentele studies zullen inspireren.

"Kwantummechanica is een prachtige wiskundige theorie met het potentieel om de intieme details van moleculaire en andere microscopische verschijnselen te verklaren, " zei Piecuch. "We gebruikten de Mg ₂ mysterie als een kans om aan te tonen dat de voorspellende kracht van moderne computermethodologieën gebaseerd op de eerste principes van de kwantummechanica niet langer beperkt is tot kleine, soorten met weinig elektronen."